Caracterización de las propiedades microestructurales, magnéticas y térmicas de Fe–45Ni fabricado por fusión selectiva por láser en lecho de polvo

Un metal que mantiene su forma y su magnetismo

Satelites modernos, telescopios e instrumentos de precisión necesitan piezas metálicas que apenas cambien de tamaño con la temperatura pero que respondan con fuerza a campos magnéticos. Este estudio explora una receta prometedora para tales piezas: una aleación hierro–níquel con 45% de níquel (Fe–45Ni), fabricada no por fundición y mecanizado tradicionales, sino por impresión 3D mediante láser. El trabajo muestra cómo ajustar los parámetros de impresión para que la aleación salga densa, fuertemente magnética y extremadamente estable frente al calentamiento.

Por qué importa una aleación impresa en 3D

Las aleaciones hierro–níquel ya se usan en dispositivos que requieren magnetismo fiable y una expansión térmica muy baja, desde relojes de precisión hasta estructuras de naves espaciales. Pero los métodos de fabricación convencionales tienen dificultades para crear formas intrincadas sin grietas, con desperdicio de material y mecanizado adicional costoso. La fusión selectiva por láser en lecho de polvo, un proceso de impresión metálica 3D, ofrece una forma de construir geometrías complejas directamente desde polvo. El inconveniente es que el láser intenso y en rápido movimiento genera cambios de temperatura muy pronunciados que pueden dejar poros, grietas y tensiones residuales. Los autores se propusieron comprobar si Fe–45Ni podía imprimirse de manera que evitara estos problemas y, al mismo tiempo, preservara su combinación particular de fuerte magnetismo y estabilidad dimensional.

Cómo se imprime y examina el metal

Los investigadores empezaron con polvo esférico de Fe–45Ni producido por atomización por gas, elegido por su buena fluidez en la impresora. Emplearon una máquina comercial de fusión selectiva por láser en lecho de polvo para construir pequeños cubos de 7×7×7 mm con un patrón de escaneo en forma de tablero de ajedrez, variando la potencia del láser y la velocidad de escaneo mientras mantenían fija el espesor de capa y el espaciamiento de gasto. Tras la impresión, cortaron y pulieron los cubos y los examinaron con microscopía óptica y electrónica para medir la densidad y localizar poros y grietas. También usaron difracción de rayos X para identificar la estructura cristalina y microscopía avanzada para mapear la forma y orientación de los granos. Finalmente, probaron el comportamiento magnético en distintas direcciones y midieron cuánto se expandía la aleación al calentarla desde temperatura ambiente hasta 500 °C.

Encontrar el punto óptimo en las condiciones de impresión

El estudio encontró que tanto una energía láser insuficiente como excesiva pueden deteriorar la calidad de la aleación. A baja potencia láser o a velocidades de escaneo muy altas, las capas metálicas no se fusionan completamente, produciendo vacíos irregulares y grietas térmicas ocasionales. A energías muy altas, el gas atrapado en el polvo original o generado durante la fusión queda sellado en forma de poros esféricos. Al equilibrar cuidadosamente potencia y velocidad de escaneo, el equipo alcanzó una densidad relativa muy alta, de aproximadamente 99,3% a 85 W y 300 mm/s, dejando solo poros finos y dispersos. Bajo estas mejores condiciones, la estructura interna consistía principalmente en granos columnarios apretados que crecían a lo largo de la dirección de construcción, salpicados con algunos granos más pequeños y de forma más poligonal. Este patrón texturado de granos, determinado por el flujo de calor durante la solidificación, resultó importante para la respuesta magnética de la aleación.

Fuerza magnética y estabilidad térmica

Cuando el equipo midió el magnetismo a lo largo y a través de la dirección de construcción, encontró que el Fe–45Ni impreso se comportaba como un imán blando en ambas direcciones: se magnetiza con facilidad y pierde la mayor parte de su magnetización cuando se retira el campo. Sin embargo, la respuesta no era idéntica en todas las direcciones. A lo largo de la dirección de construcción, el material mostró mayor permeabilidad (se magnetiza más fácilmente) y menor coercitividad (se necesitaba menos campo para invertir la magnetización). En la dirección transversal se requirió más campo, probablemente porque poros, límites de grano y tensiones residuales obstaculizan el movimiento de las paredes de dominio magnético. A pesar de estas imperfecciones, la magnetización máxima de la aleación fue alta, favorecida por su relativamente elevado contenido de hierro. Las pruebas térmicas mostraron que, entre temperatura ambiente y aproximadamente 400 °C, la expansión de la aleación permaneció muy pequeña y casi igual en distintas direcciones, con un coeficiente de alrededor de 6×10⁻⁶ por grado Celsius —cercano al comportamiento denominado Invar. Solo por encima de aproximadamente 415 °C, cerca de la temperatura de Curie donde el magnetismo decae, la aleación empezó a expandirse más rápidamente.

Qué significa esto para usos reales

En términos simples, los autores muestran que Fe–45Ni puede imprimirse en 3D en piezas densas y sin grietas que mantienen casi invariable su tamaño al calentarse y enfriarse, y que a la vez actúan como imanes potentes y fácilmente controlables. Ajustando los parámetros del láser, minimizan defectos y dirigen la microestructura de granos para que la dirección de construcción sea la ruta más favorable para la magnetización. Estas características convierten a la aleación impresa en una candidata sólida para componentes de precisión en aeroespacial y otros campos de alta tecnología donde son críticas tanto el desempeño magnético como la estabilidad dimensional.

Cita: Sim, N., Jung, H.Y. & Lee, KA. Characterization of the microstructural, magnetic, and thermal properties of Fe–45Ni fabricated by laser powder bed fusion. Sci Rep 16, 8049 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37507-w

Palabras clave: Aleación Fe–Ni, fusión selectiva por láser en lecho de polvo, materiales magnéticos blandos, baja expansión térmica, fabricación aditiva